CN109341517A - 一种绝对式容栅位移旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种绝对式容栅位移旋转编码器，采用容栅位移传感器，在发射极定子上施加激励电压，通过旋转转子在接收极定子上耦合容栅电流信号，通过电流放大器、同步检波和低频滤波，形成粗机和精机两路正余弦信号，经过A/D转换和微处理器的信号处理，输出以360°为模的圆周绝对值数字角度信号。本发明绝对式容栅位移旋转编码器采用粗机数字角度与精机数字角度进行数据组合，通过粗机和精机的数据组合与纠错，可以得到高分辨率和高精度数字角度，输出以360°为模的高精度和高分辨率的圆周绝对值数字角度信号。

Description

一种绝对式容栅位移旋转编码器

技术领域

本发明是属于机电一体化技术领域，特别是一种绝对式容栅位移旋转编码器，涉及到容栅转换技术、数据频率合成技术、容栅编码技术。

背景技术

在自动控制领域，旋转编码器用来测量角度、位置和速度的传感器，广泛应用于数控机床、风力发电、伺服控制、电动车以及机器人等控制领域，目前光电编码器以其出色的转换精度和分辨率，占据了旋转编码器主要市场，但结构复杂、体积大、价格昂贵，抗恶劣环境能力差。与光电编码器不同，磁电编码器、机电编码器具有较强环境适应能力，但磁电编码器精度较低，而机电编码器技术复杂、体积大，磁电编码器、机电编码器一般用于环境比较恶劣、精度要求不高的***。

容栅测量***已经诞生了30余年了，主要采用反射式容栅编码器，以动栅和静栅方式实现容电转换，需要内置电源，是一种准绝对式编码器。市场上主要以直线型数字容栅编码器作为测量工具，如数字游标卡尺、数字千分尺和数显表等，具有量程大、分辨率高、非接触、结构简单等特点。与光电编码器、磁电编码器和机电编码器相比，容栅编码器有下列优势：

1、分辨率高，转换速度快；

2、结构简单,构造紧凑,易于小型化；

3、功耗低,容栅传感器在正常工作时,其工作电流小于10微安；

4、低成本，使用印刷电路板工艺加工传感器部分。

容栅编码器凭借性价比高的优势,可以在编码器市场占有一席之地。但国内容栅编码器主要以线性容栅编码器为主，目前容栅旋转编码器只是处于概念阶段,相应的产品也是凤毛麟角。容栅编码器的传感器工作在低电压、低电流状态,极易受到外界电场、磁场、尤其是电源波动或脉冲波动的影响,引起输入信号失真,甚至使整个***瘫痪。另外容栅编码器是一种准绝对式编码器，在长期断电工作时，需要定期更换电池，难于用于长期自动测量。这些缺陷是制约容栅编码器发展的主要因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是对现有技术的不足，提出了一种新的绝对式容栅位移旋转编码器，该编码器可以输出高精度和高分辨率的以360°为模的圆周绝对值数字角度信号。

本发明要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特点是：该编码器包括容栅位移传感器、检波与滤波器电路、A/D转换和微处理器；采用容栅位移传感器，通过激励电路在发射极定子上施加激励电压，通过旋转转子，在接收极定子上耦合容栅电流信号，通过电流放大器、同步检波，形成粗机和精机两路正余弦信号，经过A/D转换和微处理器的信号处理，输出以360°为模的圆周绝对值数字角度信号。

本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：采用金属环对容栅位移传感器进行包裹，把容栅位移传感器与周围的其他物体屏蔽分开，通过接地来屏蔽外部信号干扰，对容栅旋转编码器中的固有低信号电平提供保护，阻断外部信号和寄生电容耦合到激励电压上。

本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：所述的容栅位移传感器由发射极定子、转子和接收极定子组成，发射极定子和接收极定子分布在转子的两侧，采用印刷电路板设计；在转子一侧的发射极定子包括精机发射极、粗机发射极和屏蔽区；在转子另一侧的接收极定子包括精机接收区、粗机接收区和屏蔽区。

本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：所述的精机发射极设置4N个栅极，N位正整数，每四个栅极为一组，按A、B、C、D排列，相同编号的栅极用印制线相连，共N组，精机极对数为N；粗机发射极设置4n个栅极，n为正整数，每四个栅极为一组，按E、F、G、H排列，相同编号的栅极用印制线相连，共n组，粗机极对数为n；规定N＞n，整数；在转子另一侧的接收极定子包括精机接收区、粗机接收区和屏蔽区，精机接收区和粗机接收区采用圆环设计，圆环尺寸与发射极定子中精机发射极和粗机发射极一一对应；转子采用塑料材料设计，外部图案对应发射极定子中精机发射极，采用N对极的余弦锯齿波形，每一对极的余弦锯齿图案对应精机发射极的4个栅极；内部图案对应发射极定子中粗机发射极，采用凹槽设计，图案为n对极余弦波形，每一对极的余弦图案对应粗机发射极4个栅极。

本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：接收极定子上耦合容栅电流信号，通过电流放大器、同步检波和低频滤波，精机容栅电压信号解调成或N倍转子移动角度的正余弦信号，粗机容栅电压信号解调成或n倍转子移动角度的正余弦信号。

本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：精机发射极设置256个栅极，共64组，精机极对数为64；粗机发射极设置12个栅极，共3组，粗机极对数为3。

本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：发射极定子和接收极定子采用金属环连接，把发射极定子和接收极定子的***屏蔽区连接在一起，把转子包裹在金属环里。

本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：所述的激励电路主要包括D/A转换器、低通滤波器、反相电路和功率放大器组成，微处理器通过查表的方式产生2路相位相差90°数字正弦波，通过D/A转换器，转换成模拟信号，经过低通滤波器、反相电路和功率放大器，输出四路幅值相同、频率相同、相位相差90°正弦激磁电压；由激励电路产生四路励磁电压，施加到发射极定子上，通过转动转子，在接收极定子上耦合容栅电流信号。

本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：粗机和精机两路正余弦信号经过A/D转换，分别转换成数字信号，微处理器进行数据采样，计算出粗机和精机的数字角度信号，通过信号处理方法把粗机、精机两路数字角度信号进行组合与纠错，输出以360°为模的圆周绝对值数字角度信号。

与现有技术相比，本发明绝对式容栅位移旋转编码器采用粗机数字角度与精机数字角度进行数据组合，通过粗机和精机的数据组合与纠错，可以得到高分辨率和高精度数字角度，输出以360°为模的高精度和高分辨率的圆周绝对值数字角度信号。

附图说明：

图1为本发明转换原理图；

图2为发射极定子结构示意图；

图3为接收极定子结构示意图；

图4为转子结构示意图；

图5为金属环结构示意图；

图6为激磁电路示意图；

图7为精机检波与滤波电路图；

图8为粗机检波与滤波电路图。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步理解本发明，而不构成对其权利的限制。

一种绝对式容栅位移旋转编码器，其转换原理如图1所示，主要由容栅位移传感器、激磁电路、检波与滤波电路、A/D转换电路和微处理器组成。

1容栅位移传感器

如图2-4所示，容栅位移传感器由发射极定子、转子和接收极定子组成，发射极定子和接收极定子分布在转子的两侧，采用印刷电路板设计，信号连接不需要飞线，为了消除边界效应，采用圆形均匀分布。转子没有电路信号，不需要滑环进行电路连接，转子与定子之间没有接触，转动时没有摩擦，不需要轴承，提高容栅编码器的可靠性和使用寿命。

在转子一侧的发射区定子包括精机发射极、粗机发射极和屏蔽区，精机发射极设置4N个栅极(N为正整数)，每四个栅极为一组，按A、B、C、D排列，相同编号的栅极用印制线相连，共N组，其极对数为N，作为容栅位移传感器精机，用来计算转子走过角度的精度。粗机发射区设置4n个栅极(n为正整数)，每四个栅极为一组，按E、F、G、H排列，相同编号的栅极用印制线相连，共n组，其极对数为n，作为容栅位移传感器粗机，用来计算转子走过角度方向。规定N＞n，整数。发射极定子内圈和外圈为屏蔽区，用于屏蔽外来信号干扰和寄生电容的耦合。在转子另一侧的接收极定子包括精机接收区、粗机接收区和屏蔽区，精机接收区和粗机接收区采用圆环设计，圆环尺寸与发射极定子中精机发射极和粗机发射极一一对应。接收极定子内圈和外圈为屏蔽区，用于屏蔽外来信号干扰和寄生电容的耦合。转子不带电，采用塑料材料设计，外部图案对应发射极定子中精机发射极，采用N对极的余弦锯齿波形，每一对极的余弦锯齿图案对应精机发射极的4个栅极；内部图案对应发射极定子中粗机发射极，采用凹槽设计，图案为n对极余弦波形，每一对极的余弦图案对应粗机发射极的4个栅极。

发射极定子结构示意图如图2所示，N＝64、n＝3时，在转子一侧的发射极定子包括精机发射极1、粗机发射极2和屏蔽区3，精机发射极1设置256个栅极，每四个栅极为一组，按A、B、C、D排列，相同编号的栅极用印制线相连，共64组，其极对数为64，作为容栅位移传感器精机，用来计算转子走过角度的精度。粗机发射极设置12个栅极4，每四个栅极4为一组，按E、F、G、H排列，相同编号的栅极4用印制线相连，共3组，其极对数为3，作为容栅位移传感器粗机，用来计算转子走过角度方向。发射极定子内圈和外圈为屏蔽区3，用于屏蔽外来信号干扰和寄生电容的耦合。在转子另一侧的接收极定子包括精机接收区5、粗机接收区6和屏蔽区3。

接收极定子结构示意图如图3所示，精机接收区5和粗机接收区6采用圆环设计，圆环尺寸与发射极定子中精机发射极1和粗机发射极2一一对应。接收极定子内圈和外圈为屏蔽区3，用于屏蔽外来信号干扰和寄生电容的耦合。

转子结构示意图如图4所示，转子不带电，采用塑料材料设计，转子外部图案对应发射极定子中精机发射极，采用64对极的余弦锯齿波形，每一对极的余弦锯齿图案对应精机发射极的4个栅极；内部图案对应发射极定子中粗机发射极，采用凹槽设计，图案为3对极余弦波形，每一对极的余弦图案对应粗机发射极的4个栅极。

对编号A～D精机发射极分别加上V1～V4激励信号，随着转子的旋转来改变两个定子精机之间的正对面积和电解质系数，经过电容耦合在接收极精机接收区上形成容栅电流。由于各组中序号相同的发射极栅极的相对位置相同，所以可以将256(或4N)个发射极栅极与精机接收区之间的电容简化为Ca到Cd的4个可变电容器，在V1～V4激励信号作用下耦合容栅电流。

对编号E～H粗机发射极分别加上V1～V4激励信号，随着转子的旋转来改变两个定子粗机之间的正对面积和电解质系数，经过电容耦合在接收极精机接收区上形成容栅电流。由于各组中序号相同的发射极栅极的相对位置相同，所以可以将12(或4n)个发射极栅极与粗机接收区之间的电容简化为Ce到Ch的4个可变电容器，在V1～V4激励信号作用下耦合容栅电流。

2、屏蔽

金属环采用薄型环状结构，金属环如图5所示，用于支撑转子旋转空间和屏蔽干扰作用。金属环把发射极定子和接收极定子的***屏蔽区连接在一起，把转子包裹在金属环里。金属环通过接地，用来屏蔽外部信号干扰，把容栅位移传感器与周围的其他物体屏蔽分开，对容栅位移编码器中的固有低信号电平提供保护，防止外部信号和寄生电容耦合到激励电压上，提高容栅位移旋转编码器的电磁兼容性和抗恶劣环境能

3激磁电路

激磁电路采用数字频率合成技术，主要包括微处理器、D/A转换器、低通滤波器、反相电路和功率放大器组成，如图6所示。微处理器通过查表的方式产生2路相位相差90°数字正弦波，通过D/A转换器，转换成模拟信号，经过低通滤波器、反相电路和功率放大器，输出4路幅值相同、频率相同、相位相差90°激磁电压V1～V4，为容栅位移旋转编码器提供激励信号,这个激磁信号的频率通常是10kHz。

4检波与滤波电路

如图7所示，精机4个可变电容器Ca到Cd在V1～V4激励信号作用下耦合容栅电流，经过电流放大器，输出精机电压信号U(t)。采用乘法器进行同步检波器，把精机电压信号U(t)与激励信号V1相乘进行信号的迁移，把激励信号迁移到高频区，把精机正弦信号迁移到低频区，通过低频滤波器，过滤掉高频信号，输出精机的正弦信号。精机电压信号U(t)与激励信号V2相乘进行信号的迁移，把激励信号迁移到高频区，把精机余弦信号迁移到低频区，通过低频滤波器，过滤掉高频信号，输出精机的余弦信号。

如图8所示，粗机4个可变电容器Ce到Ch在V1～V4激励信号作用下耦合容栅电流，经过电流放大器，输出粗机电压信号V(t)。采用乘法器进行同步检波器，把粗机电压信号V(t)与激励信号V1相乘进行信号的迁移，把激励信号迁移到高频区，把粗机正弦信号迁移到低频区，通过低频滤波器，过滤掉高频信号，输出粗机的正弦信号。粗机电压信号V(t)与激励信号V2相乘进行信号的迁移，把激励信号迁移到高频区，把粗机余弦信号迁移到低频区，通过低频滤波器，过滤掉高频信号，输出粗机的余弦信号。

5、A/D转换电路和微处理器

粗机和精机输出的正余弦信号，经过A/D转换电路，输出数字信号，微处理器进行数据采集，采用正切函数，通过查表求反正切，得到粗机和精机两路的数字角度信号。

Claims (9)

1.一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于：该编码器包括容栅位移传感器、检波与滤波器电路、A/D转换和微处理器；该编码器采用容栅位移传感器，通过激励电路在发射极定子上施加激励电压，通过旋转转子，在接收极定子上耦合容栅电流信号，通过电流放大器、同步检波，形成粗机和精机两路正余弦信号，经过A/D转换和微处理器的信号处理，输出以360°为模的圆周绝对值数字角度信号。

2.根据权利要求1所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，采用金属环对容栅位移传感器进行包裹，把容栅位移传感器与周围的其他物体屏蔽分开，通过接地来屏蔽外部信号干扰，对容栅旋转编码器中的固有低信号电平提供保护，阻断外部信号和寄生电容耦合到激励电压上。

3.根据权利要求1所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，所述的容栅位移传感器由发射极定子、转子和接收极定子组成，发射极定子和接收极定子分布在转子的两侧，采用印刷电路板设计；在转子一侧的发射极定子包括精机发射极、粗机发射极和屏蔽区；在转子另一侧的接收极定子包括精机接收区、粗机接收区和屏蔽区。

4.根据权利要求3所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，所述的精机发射极设置4N个栅极，N位正整数，每四个栅极为一组，按A、B、C、D排列，相同编号的栅极用印制线相连，共N组，精机极对数为N；粗机发射极设置4n个栅极，n为正整数，每四个栅极为一组，按E、F、G、H排列，相同编号的栅极用印制线相连，共n组，粗机极对数为n；规定N＞n，精机接收区和粗机接收区采用圆环设计，圆环尺寸与发射极定子中精机发射极和粗机发射极一一对应；转子采用塑料材料设计，外部图案对应发射极定子中精机发射极，采用N对极的余弦锯齿波形，每一对极的余弦锯齿图案对应精机发射极的4个栅极；内部图案对应发射极定子中粗机发射极，采用凹槽设计，图案为n对极余弦波形，每一对极的余弦图案对应粗机发射极4个栅极。

5.根据权利要求4所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，接收极定子上耦合容栅电流信号，通过电流放大器、同步检波和低频滤波，精机容栅电压信号解调成N倍转子移动角度的正余弦信号，粗机容栅电压信号解调成n倍转子移动角度的正余弦信号。

6.根据权利要求4所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，精机发射极设置256个栅极，共64组，精机极对数为64；粗机发射极设置12个栅极，共3组，粗机极对数为3。

7.根据权利要求3所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，发射极定子和接收极定子采用金属环连接，把发射极定子和接收极定子的***屏蔽区连接在一起，把转子包裹在金属环里。

8.根据权利要求1所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，所述的激励电路主要包括D/A转换器、低通滤波器、反相电路和功率放大器组成，微处理器通过查表的方式产生2路相位相差90°数字正弦波，通过D/A转换器，转换成模拟信号，经过低通滤波器、反相电路和功率放大器，输出四路幅值相同、频率相同、相位相差90°正弦激磁电压；由激励电路产生四路励磁电压，施加到发射极定子上，通过转动转子，在接收极定子上耦合容栅电流信号。

9.根据权利要求1所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，粗机和精机两路正余弦信号经过A/D转换，分别转换成数字信号，微处理器进行数据采样，计算出粗机和精机的数字角度信号，通过信号处理方法把粗机、精机两路数字角度信号进行组合与纠错，输出以360°为模的圆周绝对值数字角度信号。